隨著無線通信技術和計算機技術的飛速發展，城市照明監控技術也有了長足的發展。目前國內很多公司都開發了智能城市照明監控系統，但這些系統都存在一個問題：單燈狀態監控的精度不高，無法精確得知單燈在運行時電壓值、電流值等指標。
??? 為了解決上述問題，現采用CS5460A對單燈的電壓有效值、電流有效值等進行精確檢測，然后將單燈的狀態值通過城市照明監控網絡上傳到后臺服務器，以便實時精確監控照明設施的運行狀況。

1 系統硬件設計
1．1 單燈監控系統架構
??? 照明監控系統的ZigBee網絡中的節點分為三類：協調器、路由節點、終端節點。路端單燈測控器由路由節點或終端節點加上外圍采集控制模塊構成，其作用是接收主控發送的命令，對路燈進行控制和狀態的采集。各節點均采用Freescale公司生產的2.4GHz射頻芯片MC13213，它采用Freescale公司的低電壓、低功耗HCS08核心，并帶有嵌入式閃存、10位模／數轉換器、低壓中斷和鍵盤中斷等功能。MC13213支持專用點到點，簡單星形以及MASH網絡，采用Figure 8 Wireless Z-stack的符合ZigBee標準的網絡。
??? CS5460A是一個包含2個△-∑模／數轉換器(ADC)、功率計算功能、電能到頻率轉換器和1個串行接口的完整的功率測量芯片。它可以精確測量瞬時電壓值、電流值和計算Irms、Vrms、瞬時功率、有功功率、無功功率。
??? 采集到的路燈的電壓值、電流值可以通過ZigBee網絡及GPRS上傳到后臺服務器，以便對整條路的路燈狀態進行更好的監測。單燈監控系統主要由MC13213模塊和CS5460A采樣電路組成，同時包含繼電器控制電路。單燈測控系統的整體架構如圖1所示。

1．2 采集電路的設計
??? CS5460A的電壓通道的最大有效值輸入為250 mV。電流通道集成有一個增益可編程放大器(PGA)，輸入的電平最大有效值可為250 mV或50 mV。由于CS5460A的△-∑調制器采用了過采樣原理，對高頻信號噪聲有很強的抑制性，因此輸入信號無需進行復雜的濾波處理。

??? 圖2是本系統檢測電壓和電流輸入采樣電路。其中PWR_L為被測交流電中的火線，PWR_N為被測交流電中的零線，LOAD為連接負載的交流火線。圖中電壓互感器采用的是TV1005-1M，它是一種電流型電壓互感器。電流互感器采用的是TA1005-1M，它采用電阻法獲得互感電壓。其中的二極管D1～D4起到保護電路的作用。
1．3 CS5460A的接口設計
??? CS5460A的串行口包括CS、SDI、SDO、SCLK 4條控制線，與MC13213的I／O口連接十分方便。MC13213對CS5460A的操作通過寫一些命令字節來實現的，傳輸方式通過I／O接口來模擬SPI傳輸。其中命令字包括對寄存器的讀寫及對CS5460A的校準，初始化配置等。設置CS5460A的數據輸入SDI、數據輸出SDO、串行時鐘SCLK、片選CS、復位引腳RESET分別與MC13213的PTA1～PTA5相連，在進行測量之前要先對CS5460A進行復位。CS5460A與MC13213的接口電路如圖3所示。

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2 系統軟件設計
2．1 MC13213程序
??? MC13213的程序設計方案包括動態連接網絡，數據采集和應用控制程序。動態連接網絡負責查詢網絡設備，建立通信鏈路。數據采集包括路燈狀態的采集、處理及保存。應用控制程序負責執行控制命令等功能。其中對路燈狀態采集通過CS5460A獲得。對CS5460A的操作主要包括CS5460A的校準，I／O口模擬的SPI接口初始化，CS5460A初始化，電壓有效值寄存器、電流有效值寄存器及有功功率寄存器的數據讀取。MC13213對CS5460A的操作流程如圖4所示。

2．2 I／O口模擬SPI
??? (1)字節發送
??? MC13213的I／O端口PTA3為時鐘信號線(SCLK)，PTA2是數據信號輸出線(SDO)。在PTA3制造一個電平變化，輸出數據data的高位BIT7，data中的數據依次右移一位，再將PTA3的電平變化一次，又一次輸出data的高位。這時，輸出的就是原來data中的次高位BIT6位，如此重復，data右移8次就完成了一個字節的輸出。
??? (2)字節接收
??? 同樣的原理，把PTA3的輸出電平拉高，制造一個高電平，檢測輸入腳PTA1(SDI)的電平，記入data中，把PTA3的輸出電平拉低，就完成了一個字節位的接收。然后將PTA3的輸出電平拉高，制造一個高電平，再次檢測輸入腳PTA1的電平記入data中，如此8次后就收到了一個字節。
2．3 CS5460A校準
??? 為了提高CS5460A的實際測量準確度，在開始測量前要對其進行校準。CS5460A提供DC偏移校準，AC偏移校準以及AC增益校準。用戶通過設置校準命令字中的相應位來決定執行哪種校準。但不管是哪種校準都有兩種模式：系統偏移校準和系統增益校準。偏移校準時需提供零電壓和零電流信號，最后得到的實際測量值=線性值+偏移值。系統偏移校準采用CS5460A內部偏移校準。
??? 最初系統增益校準采用了CS5460A內部增益校準，即向增益寄存器寫入校準值，但經過實測發現對于本系統隨著電流的變化，采用此種校準方法得到的電流值線性度極差，無法達到使用要求。最終決定使用外部增益校準。增益校準實質是乘法運算的調整，得到的實際測量值=線性值×增益值。在實驗中給出標準的5 A電流及220 V電壓來進行外部手動校準，最終得到的Vgain=0x0166，Igain=0x015D，即：
??? 實際測量電壓值=線性電壓值×(0x0166／0x00FF)
??? 實際測量電流值=線性電流值×(0x015D／0x00FF)
2．4 CS5460A初始化
??? CS5460A的工作時鐘MCIK選定為11．059 2 MHz，分頻系數K設為1，循環計數寄存器的N值設為4000，則一個基本的計算周期為(1024×N)／(MCLK／K)=1／2．7 s。
??? 當CS5460A上電后，首先給復位脈沖到RESET引腳，然后再初始化CS5460A。CS5460A與MC13213的接口非常簡單，但它的初始化命令較多，在使用上有一定的技巧，如使用不當有時可能初始化不成功，引起芯片的轉換出錯，使系統不能正常工作。所以在使用過程中將初始化過程反復凋試，編成通用子程序，使用時調用，可確保每次運行的準確、可靠。CS5460A初始化流程如圖5所示。

3 實測結果
??? 照明監控系統中對單燈的狀態監控包括末端電壓監控及單燈電流監控，即每條回路上只需一個末端電壓監控的單燈，其他單燈監控電流狀態。采集到的是電壓和電流的有效值。CS5460A采集的電壓和電流的有效A／D值到十進制的實際值的換算公式如下：
???? Vo=V／FFFF×300／0．6 Io=I／FFFF×5／0．6
??? 通過實測得到的電壓值結果如表1所列。

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??? 通過實測得到的電流值結果如表2所列。

??? 從表1和表2中測量到的電壓和電流的值與實際的電壓和電流的值比較可以看出，測量的誤差范圍控制在1％以內，達到了高精度測量的效果。

結語
? ? 本系統可將單燈的電壓和電流有效值等數據通過ZigBee網絡和GPRS實時上傳到服務器，不斷刷新，從而實現對照明設施的運行狀態進行實時精確監控，便于對單燈進行降功率控制等動作判斷是否執行命令，具有較高的實用價值。